Бесщеточные синхронные генераторы

Одним из трудоемких при обслуживании узлов сис­темы АРН ССГ является контактно-щеточный аппарат. При ра­боте генераторов контактные кольца и щетки изнашиваются значи­тельно быстрее, чем другие части генератора. При работе генератора от щеток появляется угольная пыль, которая оседает на об­мотках генератора и щеточном устройстве.

Для повышения надежности САРН и уменьшения трудоемкости их обслуживания были разработаны бесщеточные системы возбуж­дения. Генераторы переменного тока, у которых нет щеток и колец, получили название бесщеточных СГ. Переменный ток, вырабаты­ваемый возбудителем, выпрямляется с помощью полупроводнико­вых вентилей, установленных на вращающемся валу, и подается на обмотку возбуждения генератора.

Благодаря отсутствию подвижных и скользящих контактов, эти генераторы надежно работают в условиях тряски и вибрации, в пожаро- и взрывоопасных средах и не создают радиопомех.

Первый судовой бесщеточный генератор мощностью 425 кВт при 1200 об/мин, изготовленный фирмой AIE (Англия) был уста­новлен на танкере «Вариселла» в 1960 г. Судовые бесщеточные СГ могут быть выполнены с синхронным (рис. 95, а) и асинхронным возбудителем (рис. 95, б).

Рис. 95. Принципиальная схема бесщеточного генератора: 1— статорные обмотки генератора; 2 — обмотки возбуждения генератора; 3 — выпрямитель­ное устройство; 4 — обмотки переменного тока возбудителя; 5 —обмотка возбуждения воз­будителя

Синхронным возбудителем называют обращенную синхронную машину, у которой индуктор неподвижен, а обмотка переменного тока вращается.

Асинхронный возбудитель в простейшем виде представляет собой электродвигатель с фазным ротором, работающий в режиме асинхронного генератора.

Возбудители переменного тока могут иметь любое число фаз и различные схемы включения обмоток. Наибольшее распростране­ние получили трехфазные синхронные возбудители с соединением обмоток в звезду и реже — в треугольник.

Напряжение генератора с синхронным возбудителем большин­ством типов регуляторов поддерживается с точностью ± 1 %.

Самовозбуждение обеспечивается за счет остаточной НС полю­сов возбудителя, а если она недостаточна, то принимают специаль­ные меры:

• применение подвозбудителей с постоянными магнитами,

• встраивание постоянных магнитов в полюса возбудителя и др.

На случай размагничивания некоторые фирмы предусматри­вают питание обмотки возбуждения от постороннего источника постоянного тока.

Выпрямительное устройство бесщеточных генераторов соби­рается на кремниевых вентилях, как правило, по трехфазной мо­стовой схеме. Для улучшения динамических характеристик генера­тора в последнее время широкое распространение получили КУВ для выпрямления и регулирования тока возбуждения.

Конструкция бесщеточных генераторов определяется мощ­ностью возбудителя и параметрами обмотки возбуждения генера­тора. Судовые генераторы значительных мощностей, как правило, изготовляются в рамном исполнении с двумя подшипниковыми щитами. Возбудитель устанавливается либо в одном корпусе с ге­нератором, либо выносится за подшипник. При этом габаритные показатели остаются на уровне ССГ с системами фазового ком­паундирования.

Бесщеточные генераторы комплектуются регуляторами напря­жения либо корректорами напряжения.

Рис. 96. Блок-схема бесщеточного гене­ратора фирмы ASEA	Рис. 97. Внешние характеристики бесщеточного генератора фирмы ASEA

Блок-схема САРН бесщеточного генератора с тиристорным воз­буждением фирмы ASEA приведена на рис. 96. Она включает в себя:

• основной возбудитель, питающий обмотку возбужде­ния ОВГ через управляемый трехфазный выпрямительный мост 1;

• вспомогательный воз­будитель 4;

• регулятор 2.

Оба возбудителя синхронного типа. Управление тиристорами осуществляется регулятором через импульсные трансформа­торы, первичные обмотки кото­рых неподвижны, а вторич­ные расположены на валу гене­ратора.

Вспомогательный возбудитель имеет две обмотки статора, одна из которых питает обмотку возбуждения основного возбудителя через выпрямительный мост 3, а другая подает вспомогательное напряжение на регулятор.

Схема выполнена таким образом, что цепи регулятора не имеют непосредственного соединения с цепью статора, а, следовательно не чувствительны к КЗ в цепи статора. Это позволяет иметь возмож­ность поддерживать установившееся значение тока КЗ замыкания в 3 — 4 раза выше номинального, что обеспечивает возможность се­лективного срабатывания защит. Благодаря наличию вспомога­тельного возбудителя, требующего для возбуждения незначитель­ного остаточного намагничивания, обеспечивается надежное само­возбуждение генератора, даже после КЗ. Все элементы схемы, кро­ме потенциометра для установки величины напряжения генерато­ра, установлены на генераторе. Потенциометр монтируется на ГРЩ. Система обеспечивает точность поддержания напряжения в пределах ( + 3  5%) U_Н при изменении режима нагрузки от 0 до номинальной величины и cos  от 0 до 1 (рис. 97). Время восстанов­ления напряжения при провале, равном 15 % U_H, составляет 0,1с.

Бесщеточные С Г фирмы ELIN (Австрия). Рассматриваемая си­стема представлена на рис. 98 для генераторов мощностью 320 кВт при 750 об/мин. Синхронный воз­будитель имеет обмотку перемен­ного тока, расположенную на ро­торе, и полюса с обмоткой воз­буждения на статоре.

Выпрямители находятся внут­ри активного железа ротора воз­будителя, посаженного на фигур­ную ступицу конца вала.

АРН представляет собой малогабаритную систему фазового компаундирования с КН. Компаундирование осуществляется токо­выми однофазными трансформаторами (ТТ), дросселем (Др) с регулируемым воздушным зазором и трансформатором (Tрl).

Данная система настраивается таким образом, чтобы на холо­стом ходу с отключенным корректором и номинальной частотой вращения напряжение генератора было 1,1—1,15 U_ГН. Уменьшение тока до номинальной величины осуществляется корректором на­пряжения КН.

КН получает питание от Тр2 с двумя вторичными обмотками W2 (55В) и W3 (12В). Напряжение обмотки W2 выпрямляется вы­прямителем В2, фильтруется электролитическим конденсатором С1 и стабилизируется кремниевым стабилитроном Ст1. Величина ста­билизированного напряжения устанавливается равной 30В.

Напряжение, выпрямленное блоком В3, подается на базу тран­зистора Т1, где производится сравнение напряжений, эталонного (9В) на стабилитроне Ст2 с пропорциональным фактическому. Разностью этих напряжений управляется усилитель на транзисто­рах Т1 и Т2, который выдает пропорциональный сигнал на фазоин-верторный каскад, собранный на транзисторе Т3 и резисторах R21 и R22, который заряжает конденсатор С6 с необходимой скоростью.

При достижении напряжением на конденсаторе величины сраба­тывания динистора Д3 (12В) происходит разряд конденсатора через резистор R27 по цепи управляющий электрод-катод тиристо­ра. Тиристор открывается и замыкает фазы выпрямителя В1 через R2. В результате ток возбуждения снижается и уменьшается на­пряжение генератора.

Для уставки величины напряжения предусмотрены переменные резисторы R5 и R7. Резистор R5 размещен на лицевой панели ГРЩ. Напряжение, пропорциональное напряжению генератора с R5 и R7, подается через Д1 на R10 и R11.

Для ограничения тока замыкания фаз выпрямителя В1 и умень­шения подмагничивания постоянным током трансформаторов тока последовательно с тиристорами установлен резистор R2. Защита В1 от перенапряжений на ОВВ, возникающих при работе тиристо­ра, обеспечивается резисторами R3 и R4, сопротивление которых в 6 раз больше сопротивления ОВВ.

Система обеспечивает при одиночной работе генератора под­держание напряжения с точностью ± 0,5 % от заданной величины в пределах от 1,05 до 0,9 U_H. При этом допускается длительное от­клонение частоты в пределах 48 — 65 Гц и температуры окружаю­щей среды от —30 до +45°С.

Характер восстановления напряжения при включении нагрузки зависит от скорости срабатывания управляющего усилителя, кото­рая регулируется настройкой обратной связи, включающей в себя конденсатор С2 и пропорционально-интегральную схему из рези­стора R16 и конденсаторов С3 и С4. Автоколебания системы устра­няются также настройкой обратной связи, и если это не удается, то увеличивают сопротивление резистора R2 в цепи тиристора.

Рис. 98. Система возбуждения бесщеточных генераторов фирмы ELIN

Для защиты тиристора от перенапряжений при КЗ в цепи ста­тора, в цепи анод-управляющий электрод тиристора установлен газоискровый разрядник ГР, который при превышении анодного напряжения тиристоров свыше 400В срабатывает и подает им­пульс на управляющий электрод тиристора, который открывается, что и обеспечивает его защиту от высокого напряжения.

Резистор R29, шунтирующий цепь управляющий электрод-катод тиристора служит для уменьшения влияния паразитных емкостных связей в этой цепи. Стабилитрон Ст2 обеспечивает повышение по­тенциала эмиттера транзистора Т3 до уровня, необходимого для согласования работы транзисторов Т1 и ТЗ.

Обратная связь по току генератора, необходимая для получения требуемого статизма внешних характеристик генератора, состоит из трансформатора тока ТТ4 и резистора R6. При одиночной рабо­те генератора R6 шунтируется перемычкой.

Элементы системы возбуждения рассчитаны для обеспечения режима трехфазного КЗ в течение 10с при установившемся токе КЗ около 1,6 I_н.

Мощность возбудителя рассчитана на обеспечение номинально­го напряжения генератора при токе, равном 1,25 I_гн и cos  = 0,8, в течение непродолжительного времени.

Ударный ток трехфазного глухого замыкания не превышает 15-кратного амплитудного значения номинального тока. Самовозбуж­дение обеспечивается остаточным напряжением, составляющим около 4 % U_Н.

Возбуждение снимается выключателем гашения тока (ВГТ) шунтирующим ОВВ сопротивлением, равным 28 Ом.

Габаритные размеры данного генератора меньше размеров оте­чественного генератора МСС 375-750 мощностью 300 кВт при 750 об/мин.